DE3133684C2

DE3133684C2 - Elektronische analoge Schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE3133684C2
Application number: DE3133684A
Authority: DE
Inventors: Nicolaas Johannes Maria Nijmegen Molle; Michael James Horsham W. Sussex Underhill
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-09-05
Filing date: 1981-08-26
Publication date: 1983-12-22
Also published as: DE3133684A1; GB2083723B; JPS5778222A; CA1181136A; FR2490042A1; AU542825B2; GB2083723A; SE8105183L; US4410855A; AU7486781A; SE448137B; IT1138554B; IT8123750A0; FR2490042B1

Abstract

Die Vorrichtung enthält einen Differenzoperationsverstärker (1) mit einer Rückkopplungsschaltung zwischen seinem Ausgang (2) und seinem invertierenden (-) Eingang, derart, daß seine (niederohmige) Ausgangsspannung der Eingangssignalspannung folgt, die an seinen nichtinvertierenden (+) Eingang angelegt wird. Die Ausgangsspannung wird von einem ersten Schalter (5) abgetastet und die Abtastsignale werden an den Ausgang (4) der Vorrichtung weitergeleitet, an dem sie z.B. in einem Kondensator (7) gespeichert werden können. Die Rückkopplungsschaltung enthält zwei Wege, und zwar einen über eine Rückkopplungsimpedanz (9) und den anderen über den ersten Schalter (5) und einen zweiten Schalter (8), der synchron mit dem ersten Schalter von Steuermitteln (6) betätigt wird. Die "EIN"-Impedanz des ersten Schalters (5) wird erheblich dadurch herabgesetzt, daß er in die Rückkopplungsschaltung aufgenommen wird, während, wenn weiter der zweite Schalter (8) und die Impedanz (9) darin aufgenommen werden, unerwünschte Einschaltspannungen nahezu völlig beseitigt werden, die sonst unter gewissen Umständen auftreten würden, wenn der erste Schalter arbeitet. Die Vorrichtung eignet sich besonders gut zur Anwendung in Abtast- und Halteschaltungen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische analoge Schaltvorrichtung mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme, einem Differenzspannungsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang, einem ersten zwischen dem Verstärkerausgang und der Ausgangsklemme angeordneten ElN/AUS-Schalter, einer Rückkopplungsschaltung zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dessen invertierendem Eingang und Steuermitteln zur Steuerung der EIN- und AUS-Zustände des ersten Schalters, wobei die Eingangsklemme mit ·>5 dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist.

Eine derartige Vorrichtung ist bekannt und wird z. B.

als der analoge Schalter einer Abtast- und Halteschaltung verwendet, in der ein analoges Spannungssignal zu regelmäßigen Zeitpunkten abgetastet und die zu jedem Zeitpunkt abgetastete Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten in einem mit der Ausgangsklemme der Vorrichtung verbundenen Kondensator gespeichert wird. Die dem Spannungssignal durch die Abtast- und Haheschaltung erteilte Impedanz rcuß selbstverständlich in bezug auf die der Signalquelle hocL und muß auch konstant sein. Andererseits muß die Impedanz der Quelle, die die abgetastete Spannung dem Speicherkondensator zuleitet, möglichst niedrig sein, um eine sehr schnelle Aufladung des Kondensators zu erzielen. Aus diesen Gründen wird die Signalspannungsquelle dauernd mit einem Operationsverstärker, d. h. einem eine hohe Verstärkung aufweisenden stabilen Gleichstromverstärker, verbunden, der eine hohe Eingangsimpedanz aufweist, während der Ausgang des Verstärkers zu den Abtastzeitpunkten zu dem Kondensator geschaltet wird. Damit die von dem Schalter abgetastete Spannung dieselbe wie die der Signalquelle zu diesem Zeitpunkt ist, wird die Verstärkung des Operationsverstärkers dadurch gleich 1 gemacht, daß ein Differenzverstärker verwendet wird, der einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang aufweist, wobei sich zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang ein Rückkopplungsweg erstreckt, und wobei das Eingangssignal seinem nichtinvertierenden Eingang zugeführt wird.

In der bekannten analogen Schaltvorrichtung vom oben beschriebenen Typ muß der Verstärker nicht nur eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen, sondern muß auch der Schalter eine sehr niedrige Impedanz im EIN-Zustand aufweisen, um den Einfluß einer etwaigen Ausgangsbelastung (die z. B. aus dem Kondensator in der vorgenannten Abtast- und Halteschaltung bestehen kann) auf die Wirkung der Vorrichtung auf ein Mindestmaß zu beschränken. In einer Abtast- und Halteschaltung schließt sich de<n. Kondensator normalerweise ein weiterer eine hohe Impedanz aufweisender Pufferverstärker an und es ist wichtig, die Ableitung in der Schaltvorrichtung, z. B. eine etwaige Entladung des Kondensators zwischen Abtastzeitpunkten, auf ein Mindestmaß zu beschränken. Der Effekt einer Ableitung kann dadurch herabgesetzt werden, daß ein Kondensator hohen Wertes verwendet wird, aber dann müssen für eine bestimmte Ladezeit für den Kondensator die Reihenimpedanz des Schalters im »EIN«-Zustand (seine »EIN-«-Impedanz) und die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers dementsprechend niedriger gemacht werden. In einer Ausführung in Form einer integrierten Schaltung würde dies bedeuten, daß der von dem Schalter und dem Verstärker beanspruchte Raum verhältnismäßig groß sein müßte, was nicht nur in bezug auf den Umfang, sondern auch in bezug auf die Kosten, besonders ungünstig ist. Weiter führt der größere Umfang des Schalters zu einer größeren Ableitung und somit zu einer schlechteren Wirkung der Schaltung.

Es ist auch möglich, daß eine unerwünschte Einschaltspannung zu dem Zeitpunkt erzeugt wird, zu dem der Schalter eingeschaltet wird. Auch kann unter gewissen Umständen in der Praxis Übersprechen oder Querkopplung zwischen den zwei Eingängen (dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang) des Operationsverstärkers auftreten.

Die Umstände die zu den obengenannten Nachteilen führen oder führen können, werden nachstehend im

Detail erläutert. -

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß Obersprechen oder Querkopplung in den Eingangsstufen zwischen deren zwei Eingangssignale weitgehend verringert wird, während sie sich besonders vorteilhaft integrieren läßt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Rückkopplungsschaltung einen ersten direkt zwit-'hen dem Verstärkerausgang und seinem invertierenden Eingang angeordneten Rückkopplungsweg und einen zweiten Rückkopplungsweg enthält, der einen zweiten EIN/AUS-Schalter enthält, der direkt zwischen dem invertierenden Eingang und der Ausgangsklemme angeordnet ist und von den Steuermitteln derart gesteuert werden kann, daß er synchron und gleichphasig mit dem ersten Schalter ein- und ausgeschaltet wird, und daß der erste Rückkopplungsweg eine Impedanz aufweist, die im »EIN«-Zustand der beiden Schalter hoch gegenüber den kombinierten »E!N«-Impedanzen der beiden Schalter und im »AUS«-Zustand der beiden Schalter niedrig gegenüber der »AUS«-Impedanz des zweiten Schalters und auch gegenüber der Eingangsimpedanz des invertierenden Eingangs des Verstärkers ist.

Der genannte erste Rückkopplungsweg kann einen einzigen Widerstand mit einem festen Wert enthalten. Dies bedeutet, daß der ausgewählte Wert für den Widerstand ein Kompromiß in bezug auf die Werte der unterschiedlichen anderen betreffenden Impedanzen ist.

Der Bedarf an einem solchen Kompromiß kann dadurch eliminiert werden, daß die Impedanz des ersten Rückkopplungsweges in Abhängigkeit davon geändert wird, ob der erste und der zweite Schalter sich beide in dem »EIN«- oder dem »AUS«-Zustand befinden. Dementsprechend kann der erste Rückkopplungsweg auch einen dritten EIN/AUS-Schalter enthalten, der von den Steuermitteln derart gesteuert werden kann, daß er eingeschaltet ist, wenn die beiden anderen Schalter ausgeschaltet sind, und umgekehrt. Auf diese Weise wird die Impedanz des ersten Rückkopplungsweges zugleich mit jeder Zustandsänderung des ersten und des zweiten Schalters von einem Wert zu einem anderen geschaltet.

Eine Ausführungsform nach dem Stand der Technik und einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch ein Schaltbild der oben beschriebenen bekannten Schaltung,

Fig.2 eine verbesserte Ausführung der Schaltung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine verbesserte Ausführung der Schaltung nach F i g. 2,

Fig.4 eine erste Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung, und

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung.

Die bekannte Schaltungsanordnung einer elektronischen analogen Schaltvorrichtung nach F i g. 1 enthält einen Differenzoperationsverstärker 1 mit einem invertierenden Eingang ( — ). einem nichtinvertierenden Hingang (+ ) und einem Ausgang 2. Eine Eingangsklemme 3 der Vorrichtung ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers I und der Ausgang 2 ist unmittelbar mit dem invertierender. Eingang durch eine Rückkopplungsschaltung verbunden. Der Ausgang 2 ist ;iuch mit einer Ausgarif iklcmme 4 über einen

EIN/AUS-Schalter 5 verbunden, dessen augenblicklicher Zustand von Steuermitteln 6 gesteuert wird.

Die Schaltung nach Fig. 1 weist weiter einen Belastungskondensator 7 auf, der mit der Ausgangsklemme 4 derart verbunden ist, daß die vollständige Schaltung eine Abtast- und Halteschaltung bildet.

Wie allgemein bekannt ist, weisen Differenzspannungsverstärker vom sog. Operationsverstärkertyp eine sehr hohe Eingangsimpedanz für jeden ihrer beiden Eingänge (+ und —) und eine niedrige Ausgangsimpedanz auf. Die Verbindung des Ausgangs 2 eines derartigen Verstärkers mit seinem invertierenden Eingang (—) durch eine Rückkopplungsschakung bewirkt, daß die Verstärkung des Verstärkers gleich 1 ist Infolgedessen weist die Ausgangsspannung des Verstärkers denselben Augenblickswert wie die Eingangsspannung auf, d. h., daß dieser Verstärker eine Folgeschaltung mit einer Verstärkung gleich 1 ist.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 wird die Spannung am Ausgang 2, die dieselbe wie die am Eingang 3 ist, zu der Ausgangsklemr--; 4 geschaltet durch die Wirkung des Schalters b mittels der Steuermittel 6 zu Zeitpunkten, die dirch die letzteren Mittel bestimmt werden. Die Dauer der Wirkung des Schalters 5 in seinem »EIN«-Zustand ist genügend, damit sich der Kondensator 7 auf einen Wert aufladen kann, der die abgetastete Spannung darstellt. Die für die Aufladung des Kondensators 7 benötigte Zeit hängt im wesentlichen von dem Kapazitätswert multipliziert mit der Summe der »EIN«-Impedanz des Schalters 5 und der Ausgangsimpedanz des Verstärkers 1 ab. Daher müssen diese zwei Impedanzen sehr niedrig sein, damit die Signalspannung schnell abgetastet und gespeichert werden kann. Wenn der Schalter 5 von den Steuermitteln 6 in seinen »AUS«-Zustand versetzt wird, muß der Kondensator 7 die abgetastete Spannung — im allgemeinen bis zur nächsten wirksamen Periode des Schalters 5 — nahezu konstant halten und daher muß die Ableitung über den Kondensator minimal sein. So muß der Schalter 5 eine sehr große Ableitungsimpedanz in seinem »AUS«-Zustand aufweisen. Der Schalter 5 ist in den tieisten jetzigen Anwendungen ein Transistor und die Anforderung in bezug auf die geringe Ableitung macht die Anwendung eines Transistors mit kleinern Flächeninhalt notwendig. Dies steht jedoch im Widerspruch zu der sehr niedrigen »EIN«-Impedanz des Transistors — was einen großen Flächeninhalt notwendig macht.

F i g. 2 zeigt eine mögliche Verbesserung der Schaltung nach Fig. 1, wobei der einzige Unterschied darin besteiht, daß der Rückkopplungsweg nun den Schalter 5 umfaßt, wodurch die »EIN«-Impedan^ durch die Rückkopplungsverstärkung des Verstärkers herabgesetzt wird. So kann ein viel kleinerer Transistor für den Schalter 5 für dieselbe Ladezeitkonstante des Kondensators 7 verwendet werden und die Anwendung eines kleineren Transistors verringert die Ableitung.

Wenn jedoch eine zu große stufenartige Änderung der Ausgangssignalspannung auftritt, wird der Verstärker zeitweilig gesättig·, wodurch die Geschwindigkeit beschränkt wird, mit der die Kondensatorspannung der Eingangsspannung bei eingeschaltetem Schalter 5 folgen kann. Bei ausgeschaltetem Schalter 5 wird die Spannung am Ausgang 2 des Verstärkers wahrscheinlieh — entweder in positivem oder in negativem Sinne — gesättigt, wenn eir.» geringe Änderung in der Ausgangssi;jnalspannung auftritt, weil der Rückkopplungsweg des Verstärkers (der seine Verstärkung auf 1

beschränkt) entkoppelt ist. Dies bedeutet, dall /um Zeitpunk!, zu dem der Schalter 5 wieder eingeschaltet wird, ein großer augenblicklicher Spannungsuntcrschicd zwischen der Spannung an der Klemme 3 und der Spannung am Ausgang 2 auftritt. Dies wird /u einer unerwünschten kurzzeitigen Änderung in der Spannung an der Klemme 4 führen. Ein weiterer praktischer Nachteil ist der. daß Übersprechen oder Querkopplung in den Verstärkereingangsstufeii /wischen deren zwei Eingangssignale auftreten kann.

Das letztere Problem kann durch die Schaltung nach K i g. 3 gelöst werden, bei der ein zweiter Schalter 8 in den Rückkopplungsweg des Verstärkers aufgenommen ist. Der Schalter 8 wird von den Steuermitteln 6 synchron mit dem Schalter 5 betätigt, derart, daß sie beide zusammen ein- und ausgeschaltet werden, d. h., daß sie gleichphasig arbeiten. Dadurch wird das Problem des Übersprechens gelöst, ohne daß die Wirkung im »E1N«-Zustand der zwei Schalter beeinflußt wird. Die Rückkopplungsschaitung wird aber wieder entkoppelt und daher bleibt das Problem der Einschaltspannung noch bestehen.

Alle obengenannten Nachteile werden wenigstens in sehr großem Maße durch eine Vorrichtung nach der Erfindung behoben, von der Fig.4 eine erste Ausführungsform zeigt. Die Rückkopplungsschaltung für den Verstärker 1 enthält nun zwei Rückkopplungswege, und zwar einen ersten Weg mit einem Widerstand 9 und einen zweiten Weg mit den beiden Schaltern 5 und 8. Da die Rückkopplung für den Verstärker 1 vom Widerstand 9 aufrechterhalten wird, wenn sich die zwei Schalter 5 und 8 im »AUS«-Zustand befindet., können die obengenannten Einschaltspannungen nicht auftreten.

Der Widerstandswert des Widerstandes 9 muß niedrig im Vergleich zu der Eingangsimpedanz des invertierenden Eingangs des Verstärkers 1 sein, derart, daß der Widerstand einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Pegel des Rückkoppiungssignals ausübt, wenn sich die Schalter 5 und 8 im »AUS«-Zustand befinden. Auch muß dieser Widerstand einen niedrigen Wert in bezug auf die »AUS«-Impedanz wenigstens des zweiten Schalters 8 aufweisen. Dies hat den Grund, daß, wenn angenommen wird, daß der Schalter 8 eine endliche »EIN«-Impedanz aufweist, eine Rückkopplung auf den invertierenden Eingang des Verstärkers 1 eines Teiles einer gegebenenfalls an der Belastung auftretenden Spannung — z. B. der im Kondensator 7 gespeicherten Spannung — stattfindet. Diese unerwünschte Rückkopplung wird im Vergleich zu der gewünschten Rückkopplung des Ausgangs 2 des Verstärkers 1 bei ausgeschalteten Schaltern 5 und 8 dadurch vernachlässigbar gemacht, daß der Wert des Widerstandes 9 im Vergleich zu der »AUS«-Impedanz des Schalters 8 niedrig gemacht wird.

Der Widerstandswert ties Widerstandes 9 mull weiter in bezug auf die kombinierten »FIN«-Widerstandst orte der Schalter 5 und 8 hoch sein, damit die Rückkopplung auf ilen Verstärker im »F.IN«-/ust,ind der Schalter nahe/u völlig über die Schalter stattfindet. Dies ist notwendig, um sicherzustellen, daß die »FiN«-lmpcdanz des Schalters 5 auf zweckmäßige Weise um einen Faktor gleich der Kückkoppltingsverstärkung herabgesetzt wird.

Um sehr hohe Verstärkereingangsimpedanzen zu erzielen, werden im allgemeinen ftir die Verstärkerschaltung Feldeffekttransistoren verwendet, wobei die Fingangsimpedanzen typisch im Bereich von 10" hs 10'Ω liegen. Wenn derartige Transistoren für t'.ie Schalter 5 und 8 verwendet werden, liegen ihre »AUS«linpedan/en ebenfalls typisch in demselben Bereich. In einer praktischen Ausführung in Form einer integrierten Schaltung betrugen die dynamischen »FIN«-Impedanzen der Schalter 5 und 8 etwa 5000 Ω. So iicgi der optimale Wiiierv.ar.iiv.vcrt für den Widerstand 9 nahezu halbwegs zwischen 10' bis 10" Ω ζ. B. in dem Bereich von 10' bis 10" Ω.

Fine verbesserte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt F i g. 5, in der der Widerstand 9 der Fig. 4 durch eine Impedanz in Form eines dritten Schalters 10 ersetzt wird. Der Schalter 10 wird von den Steuermitteln 6 derart betätigt, daß er sich im »EIN«-Zustand befindet, jeweils wenn sich die Schalter S und v'-iin »AUS«-Zustand befinden, und umgekehrt.

Die Steuermittel 6 nach den F i g. I bis 4 können z. B. durch einen Taktimpulsgenerator gebildet werden, der Impulse mit der erforderlicher. Abtastperiodenbreite und mit einer Amplitude gisich der vollständigen Speisespannung — z.B. 10V — erzeugt. Derartige Impulse können /.. B. am (^-Ausgang eines Multivibrators oder eines von Taktimpulsen angetriebenen Flipflops erhalten werden.

Die Steuerschaltung 6 der F i g. 5 kann ebenfalls einen Q-Impulsausgang aufweisen und in diesem Falle werden die Steuerimpulse für den Schalter 10 dem Q-Ausgang entnommen. Auch können die den Schaltern 5 und 8 zugeführten Steuerimpulse dem Schalter 10 über ein invertierendes Gatter zugeleitet werden.

So weist die Impedanz des Schalters 10 einen bestimmten Wert bei eingeschalteten Schaltern 5 und 8 und einen verschiedenen Wert bei ausgeschalteten Schaltern 5 und 8 auf. Wenn der Schalter 10 im großen und ganzen gleich den oben beschriebenen Schaltern 5 und 8 ist, ist seine »EIN«-Impedanz (5000 Ω) sehr viel niedriger als die Impedanz des invertierenden Eingangs des Verstärkers und als die »AUSw-Impedanz des Schalters 8 (jeweils 10»Ω) und ist seine »AUS^-Impedanz (10⁸H) sehr viel größer als die kombinierten »EIN«-Impedanzen (10³ Ω) der Schalter 5 und 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische analoge Schaltvorrichtung mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme, einem Differenzspannungsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang, einem ersten zwischen dem Verstärkerausgang und der Ausgangskiemme angeordneten ElN/AUS-Schalter, einer Rückkopplungsschaltung zwischen dem Ausgang des Verstärkers und seinem invertierenden Eingang und Steuermitteln zur Steuerung der EIN- und AUS-Zustände des ersten Schalters, wobei die Eingangsklemme mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung einen ersten direkt zwischen dem Verstärkerausgang (2) und seinem invertierenden Eingang angeordneten Rückkopplungsweg und einen zweiten Rückkopplungsweg enthält, der einen zweiten EIN/AUS-Schalter (S) enthält, der direkt zwischen dem invertierenden Eingang und der Ausgangsklemme angeordnet ist und von den Steuermitteln (6) derart gesteuert werden kann, daß er synchron und gleichphasig mit dem ersten Schalter (5) ein- und ausgeschaltet wird, und daß der erste Rückkopplungsweg eine Impedanz (9) aufweist, die im »EIN«-Zustand der beiden Schalter (5, 8) hoch gegenüber den kombinierten »EIN«-Impedanzen der beiden Schalter und im »AUS«-Zustand der jo beiden Schalter niedrig gegenüber der »AUS«-Impedanz des zweiten Schalters (8) und auch gegenübe-.' der Eingangsirrrpedanz des invertierenden Eingang des Verstärkers (1) ist

2. Elektronische analoge Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rückkopplungsweg einen Widerstand (9) mit einem festen Wert enthält.

3. Elektronische analoge Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste -»o Rückkopplungsweg einen dritten EIN/AUS-Schalter (10) enthält, der von den Steuermitteln (6) derart gesteuert werden kann, daß er sich im »EIN«-Zustand befindet, wenn die anderen zwei Schalter sich im »AUS«-Zustand befinden, und umgekehrt. -»5

4. Abtast- und Halteschaltung mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche und einem mit der Ausgangsklemme der genannten Vorrichtung verbundenen Speicherkondensator (7).